浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式

2015-12-23李健敏海瑞克广州隧道设备有限公司广东广州510760

中国新技术新产品 2015年17期

关键词：切刀破岩滚刀

李健敏（海瑞克（广州）隧道设备有限公司，广东广州 510760）

浅谈盾构机刀具的种类及其配置方式

李健敏
（海瑞克（广州）隧道设备有限公司，广东广州 510760）

在盾构法隧道穿越过程中，盾构机的刀具是盾构开挖的主要工具，且刀具的好坏决定了整个掘进过程。所以选择正确的刀具，并在刀盘上对其进行合理布置是至关重要的。本文着重介绍了刀具的种类及其配置方式。

盾构机；刀具；刀具配置

一、刀具种类

刀具是盾构机重要的部件，其直接影响着盾构施工进度。所以必须根据工程地段岩石的不同强度和地质特点以及刀具在不同岩石中表现出的破岩机理来对刀具进行设计和选择。为了适应从软土到硬岩不同地层的开挖，目前设计出多种刀具与之适应。盾构机刀具类型分为两大类：滚刀和切削刀。而切削刀的种类繁多，包括：切刀、齿刀、边刮刀、先行刀、仿形刀、鱼尾刀。其中，滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型，两种刀具可以互换。

1 滚刀。滚刀用于掘进纯岩地层；伴有大粒径的砾石（粒径大于400mm）并且含量达到一定比例的松散地层；岩石（强度不是太高）与一般土体（松土或砂土）交错频繁出现的复杂地层。采用滚刀破岩时，其破岩原理是：刀盘旋转带动刀具扫过开挖面，此时滚刀挤压周边的岩石，使其表面形成裂纹继而与开挖面脱落，使得岩石成功破碎。滚刀按刀具形状的不同分为：盘形滚刀和齿形滚刀；而根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀；按照刀圈的数量分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。在风化的砂岩和泥岩等软岩地层时，一般采用双刃滚刀；在较硬岩中采用单刃滚刀。

2 切刀。切刀是盾构机切削开挖面上体的主刀具。切刀用于开挖非岩质或软土地层；粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。切刀在切削和剥离土体时，其切削原理是：盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，使得切刀的刀刃和刀头插入到地层内部，从而不断将土体切削下来。

3 先行刀（超前刀）。先行刀是先行切削土地的刀具。先行刀在主要是协同其他刀具进行开挖。先行刀顾名思义是先行，所以它先于切刀切削土体，将土体切割分块，避免切刀先行切削到地层，起到保护作用。先行刀一般位于面板上，切削宽度一般比切刀窄，能够增加土体的流动性，从而大大降低切削刀的扭矩，提高切削效率。先行刀分为贝壳刀和撕裂刀。

4 仿形刀（超挖刀）。土压平衡的盾构机一般会在刀盘的边缘布置一至两把仿形刀，其作用是：当施工进行时，通过仿形刀为切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少，对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和转弯及纠偏。根据超挖范围的要求，从边缘径向伸出和缩回仿形刀。仿形刀伸出范围在70mm～150mm之间。

5 鱼尾刀。鱼尾刀用于软土地层掘进时，改善中心部分土地的切削问题和搅拌效果。它被安装在刀盘中心部位，并高于切刀，保证鱼尾刀最先切削土体。将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在径向运动的基础上以增加一项翻转运动。

二、刀具配置方式

刀具在施工过程中能否达到最佳的切削效果和掘进速度，这与刀具的配置方式正确与否密切相关。在选择刀具的配置方案时，需先了解工程地质地层的实际情况，对其岩石、土层进行详细的分析，从而得出最佳刀具配置方式。根据目前的地质情况，大致分为以下四种土层：软弱土地层；砂层、砂卵石地层；风化岩及软硬不均地层；单纯的纯硬岩地层。

1 软弱土地层的刀具。如南京、上海、杭州等地，以淤泥、粉质粘土和小颗粒泥土为主的地质。对此种地层进行挖掘，需采用切刀、中心刀、周边刮刀、先行刀和超挖刀等切削刀具。切刀被安装在开口槽的两侧，覆盖了整个进碴口的长度；为配合刀盘正反旋转，采用正反方向布置；为了进一少提高切刀的可靠性，要求在每个轨迹上至少布置两把切刀。由于刀盘边缘是最先接触到土层，为了减少土层对刀盘切口环尺寸的影响，需在刀盘边缘处正反方向各布置了八把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性，刀具布置具有对称性，刀具安装采用螺栓固定，便于更换。

2 砂层、砂卵石地层的刀具。如北京，成都地区，主要是以砂、卵石为主，掺杂有颗粒的岩石或者漂石的地层，对此地层进行挖掘时，需要配置宽幅切刀、中心刀、周边刮刀、滚刀、先行刀（重型撕裂刀）、仿形刀等刀具。切刀是主刀具，对大部分断面进行开挖。中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部分土体的作用。周边刮刀用于切削外周的土体，保证开挖断面的直径，所以也称之为保径刀。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。而重型撕裂刀则用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石。先行刀用于预先疏松土体，降低切刀所受到的冲击荷载。仿形刀用于曲线开挖和纠偏。

3 风化岩及软硬不均地层的刀具。如广州、深圳我国南部岩石区域较多，属上软下硬、地质情况极为复杂，且局部岩石单轴抗压强度达到（150MPa～200MPa）；对此类地层进行挖掘时，需配置宽幅切刀、滚刀、仿形刀、先行刀。由于岩石层较为复杂，需先通过滚刀进行破岩，且滚刀的超前量应大于切刀的，这样才能使得滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命。仿形刀用于增大开挖直径，使得在曲线半径小的隧道掘进时，保证盾构机的调向和避免出现盾壳被卡死的现象。

4 单纯的纯硬岩地层的刀具。如秦岭1线隧道，以混合片麻岩和花岗岩为主的地层，此地层只需配置滚刀，为了增强滚刀的使用效率，甚至可以在刀盘面板周边开口处配备刮碴刮刀板。

三、刀具配置的差异性

盾构机掘进时，刀具配置的差异会影响掘进速度和效果。对混合型地层进行施工时，刀具配置之间的差异主要来源于滚刀和先行刀之间的参数配置、数量、厚度、高度以及相互组合。两者之间合理的高度差能够有效地防止泥饼的形成和利于岩石破碎。同样两滚刀间的间距也会对破岩产生巨大的差异，间距过小，会造成碎石增多，增大破岩难度；间距过大，滚刀将会出现“岩脊”现象，无法有效破岩。为了避免滚刀间距不足或过小所产生的问题，需采取周边滚刀间距小于90mm，正面滚刀间距为100mm～120mm的配置方式。